RGN N° 4 Juillet-Août 2007 p. 48–62

Innovative Core Design for Generation IV Sodium-Cooled Fast Reactors

Bases physiques pour la conception de coeurs innovants pour les réacteurs à neutrons rapides de 4^ème génération

Commissariat à l’Energie Atomique

Abstract

The design of innovative cores for Generation IV Sodium-cooled Fast Reactors (SFRs) must chiefly focus on improving safety performance levels and competitiveness, with the aim of achieving all fundamental goals set for Generation IV systems.

In this context, one priority is to create a core design such that, in the event of a serious accident, all risks of generalised fuel meltdown are avoided. The core must therefore be optimised to reduce the sodium void reactivity effect whilst acting as a self-converter with respect to the fuel itself.

Design options are compared by using the physical sensitivity and parametric studies that were carried out, in order to highlight the most attractive approach for meeting the goals. A very large number of combinations of theses design options are possible

For a high power EFR-type core (1500 MWe) with Oxide fuel (UO2-PuO2), the goals can be met, with the sodium void effects nearly halved, to a value of around 3 to 4 dollars, by selecting options, such as:

- a tight grid assembly design,

- introduction of a sodium plenum in the assembly's upper section,

- introduction of a moderator material.

Use of a denser fuel such as Carbide is shown to be very attractive. Its higher density means that a near-zero Internal Breeding Gain can be achieved. Most importantly, its thermal conductivity, which is significantly higher than that of the oxide fuel allows for optimisation options. Either the overall core volume can be reduced by increasing linear power density, or the margin between fuel operating temperature and melting point can be increased. Some resuls from core simulations are presented.

Further studies should focus on a detailed characterisation of the selected cores, in particular involving ULOF and UTOP type accident transient calculations. These analyses alone will be suitable arbitrators to identify the real safety level achieved.

Résumé

Les études de conception de coeurs innovants pour les Réacteurs à Neutrons Rapides refroidis au sodium (RNRNa) doivent principalement porter sur l’amélioration de leurs performances en termes de sûreté et de compétitivité, tout en visant l’atteinte de l’ensemble des objectifs fondamentaux assignés aux systèmes de 4^ème génération.

Dans ce cadre, minimiser par conception le risque de fusion généralisée du combustible en cas d’accident grave est une priorité. On examine dans ce but, les dispositions de conception qui sont de nature à minimiser les réserves de réactivité du coeur, en particulier l’effet de réactivité lié à la vidange du sodium et à s’intéresser aux coeurs iso-générateurs au niveau de la seule zone fissile.

Les études physiques de sensibilité réalisées permettent de comparer les options de conception et de révéler les plus attractives pour atteindre ces objectifs.

Pour un coeur de grande puissance de type EFR (1500 MWe) à combustible Oxyde UO2-PuO2 la combinaison de différentes options telles que :

- un dimensionnement d’assemblage à réseau serré,

- l’introduction d’un plénum sodium en partie supérieure de l’assemblage,

- l’introduction d’un matériau modérateur permet d’atteindre les objectifs en réduisant l’effet de vidange sodium de près d’un facteur 2, en le portant aux alentours de 3 à 4 dollars.

Le recours à un combustible plus dense que l’oxyde tel que le Carbure se révèle très attractif. Sa densité accrue facilite l’atteinte d’un Gain de régénération interne positif mais surtout sa conductivité thermique très nettement augmentée par rapport à celle de l’oxyde offre des possibilités d’optimisation pour soit réduire le volume global du coeur via l’augmentation de la puissance linéique, soit accroître la marge entre la température de fonctionnement du combustible et sa température de fusion. Des premiers remontages de coeurs sont proposés.

La poursuite des études doit porter sur la caractérisation détaillée des coeurs sélectionnés et surtout procéder aux calculs de transitoires accidentels de type “perte de réfrigérant” et “insertions de réactivité”. Seules ces analyses permettront de statuer sur le réel niveau de sûreté atteint.